La nivelul său cel mai de bază, calorimetria este știința absorbției și pierderii căldurii. Măsoară modificările de energie dintr-o anumită substanță și oferă observatorilor și cercetătorilor o idee despre câtă energie este necesară pentru a descompune acea substanță sau pentru a o determina să se schimbe. Un proces chimic poate absorbi sau elibera energie și de multe ori această energie este sub formă de căldură. Analiza nutrițională este una dintre cele mai frecvente utilizări ale acestor informații. Alimentele se descompun în energie în timpul digestiei și acest lucru are un cost energetic măsurabil, dar metalele și alte substanțe se pot descompune și ele, de obicei atunci când sunt expuse la căldura mediului. Cunoașterea acestor circumstanțe este importantă pentru oamenii din inginerie și alte meserii conexe. Calculele se fac în mod normal folosind un dispozitiv cunoscut sub numele de calorimetru și, în funcție de natura și specificitatea necesară a testării, acestea pot fi fie foarte simple, fie destul de complexe. Cheia este de obicei capacitatea de a măsura constant schimbările de temperatură în timp.
Concept de bază
Calorimetria ca știință este oarecum complicată, iar înțelegerea funcționării sale mai profunde necesită de obicei atât o înțelegere fermă a fizicii de bază, cât și a termodinamicii. Dintr-o perspectivă mai elementară, totuși, calculele pot fi văzute ca modalități de a determina energia inerentă a unei substanțe pe baza căldurii pe care fie o eliberează, fie o absoarbe. Măsurătorile de temperatură sunt de obicei punctul central. Observarea schimbărilor de temperatură într-o substanță de-a lungul timpului poate oferi o perspectivă măsurabilă asupra câtă energie fie ia, fie dă.
De ce este important
Majoritatea compușilor, de la metale dure la substanțe alimentare, conțin energie brută, dar de obicei nu face nimic decât dacă substanța suferă un fel de schimbare. Când lucrurile sunt încălzite, de exemplu, sau expuse la alți factori de mediu, energia latentă se va transforma adesea în ceva care este măsurabil. Înțelegerea modului în care substanțele se descompun și a condițiilor în care se întâmplă acest lucru este cu adevărat importantă pentru o serie de aplicații diferite.
Cum funcționează
Oamenii de știință folosesc de obicei instrumente cunoscute sub numele de calorimetre pentru a măsura cantitatea de căldură pe care o absoarbe sau eliberează o reacție. Există câteva tipuri diferite. Mulți elevi de științe de liceu sunt familiarizați cu o formă foarte elementară de calorimetrie efectuată într-o cană de spumă; cana acționează ca un izolator, iar elevii o folosesc pentru a măsura schimbările de temperatură ale apei în timp. Rezultatele acestui tip de experiment le pot oferi studenților o înțelegere de bază a măsurătorilor de energie, dar de obicei nu sunt suficient de precise pentru eforturi mai serioase.
Calculele mai serioase au nevoie de obicei de instrumente mai intensive. Un dispozitiv cunoscut sub numele de calorimetru cu bombă este un exemplu foarte comun. Acest echipament este de obicei realizat dintr-o carcasă de oțel – o „bombă” – care nu se va schimba în volum. Reactanții sunt plasați în interiorul bombei, iar bomba plasată în interiorul unui alt recipient umplut cu apă. Se notează apoi temperatura apei, iar reacția, adesea sub formă de explozie, este lăsată să aibă loc.
Derularea experimentului
Înainte ca reacția să aibă loc, substanțele din bombă sunt de obicei plasate sub presiune extremă prin adăugarea de oxigen. Oamenii de știință trebuie să ia în considerare și capacitatea de căldură a dispozitivului înainte de a putea determina cât de multă căldură este absorbită sau eliberată. Capacitatea de căldură este o măsură a câtă căldură este nevoie pentru a ridica dispozitivul cu un grad Celsius. După reacție, se ia temperatura apei. După ce toate aceste valori sunt cunoscute, atunci un om de știință este capabil să calculeze cantitatea de căldură care a fost absorbită sau pierdută.
Rolul în calculele nutriționale
Calculele caloriilor sunt folosite în multe aplicații, dar mai ales cu alimente. Toate produsele alimentare conțin un anumit conținut caloric, care este, în principiu, o descriere a cantității de energie pe care o furnizează – care, la rândul său, face o declarație despre cât de multă muncă va trebui să producă o persoană pentru a „arde” sau „elimina” acel aport. Majoritatea producătorilor de alimente ambalate din întreaga lume calculează conținutul caloric al mărfurilor pe care le produc și imprimă această măsurătoare pe ambalaj.
În linii mari, o calorie este o măsurare a căldurii și reprezintă câtă căldură este necesară pentru a crește temperatura unui gram de apă pură cu un grad Celsius. Caloria C capitală prezentată în mod obișnuit pe ambalajul alimentelor este de fapt o kilocalorie: adică 1,000 de calorii. Unele țări nu folosesc caloriile pentru măsurarea energiei alimentare, ci mai degrabă descriu energia alimentară în termeni de jouli. Există aproximativ 4.2 jouli în fiecare calorie.
Când calorimetria este folosită pentru a determina conținutul de calorii al alimentelor, alimentele deshidratate sunt plasate într-un calorimetru cu bombă. Produsul alimentar este apoi ars pentru a afla cantitatea de energie pe care o are. Astfel, atunci când o persoană mănâncă un produs care are 100 de kilocalorii (aproximativ 4,200 de jouli), organismul va avea nevoie de 100 de kilocalorii (aproximativ 4,200 de jouli) pentru ca organismul să-l ardă.